Prospettive applicative delle ceramiche in carburo di silicio SiC nel settore fotovoltaico

Il carburo di silicio (SiC) è un importante materiale ceramico di fascia alta. Grazie alla sua buona resistenza alle alte temperature, alla corrosione e all'usura, alle eccellenti proprietà meccaniche ad alta temperatura, alla resistenza all'ossidazione e ad altre caratteristiche, offre ampie prospettive di applicazione in settori high-tech quali semiconduttori, energia nucleare, difesa nazionale e tecnologia spaziale.

Secondo le statistiche, le dimensioni del mercato delle ceramiche in carburo di silicio raggiungeranno 48,291 miliardi di yuan nel 2022. In combinazione con l'ambiente di sviluppo del settore e le dinamiche di mercato, si prevede che il mercato globale delle ceramiche in carburo di silicio cresca a un tasso annuo composto del 6,37% durante il periodo di previsione e che le dimensioni complessive del mercato globale delle ceramiche in carburo di silicio raggiungano 69,686 miliardi di yuan entro il 2028. Di seguito verranno brevemente analizzate le applicazioni e le prospettive delle ceramiche in carburo di silicio nei settori dei semiconduttori e del fotovoltaico.

Applicazione delle ceramiche in carburo di silicio nel settore fotovoltaico
① È un materiale di supporto fondamentale nel processo di produzione delle celle fotovoltaiche. Tra le ceramiche strutturali in carburo di silicio, i supporti per barche in carburo di silicio hanno registrato una forte crescita nel settore fotovoltaico e sono diventati una valida scelta per i materiali di supporto fondamentali nel processo di produzione delle celle fotovoltaiche. La domanda di mercato ha attirato una crescente attenzione da parte del settore.

Attualmente, vengono comunemente utilizzati supporti per barche, contenitori per barche, raccordi e altri componenti in quarzo, ma sono limitati dalla disponibilità di sabbia di quarzo ad alta purezza a livello nazionale e internazionale e hanno una capacità produttiva ridotta. L'offerta e la domanda di sabbia di quarzo ad alta purezza sono sotto pressione, il prezzo si mantiene elevato da molto tempo e la durata utile è breve. Rispetto ai materiali in quarzo, i supporti per barche, i contenitori per barche, i raccordi e altri prodotti realizzati in carburo di silicio presentano una buona stabilità termica, non si deformano alle alte temperature e non producono sostanze inquinanti nocive. In quanto eccellente materiale alternativo ai prodotti in quarzo, la loro durata utile può superare 1 anno, riducendo significativamente i costi di utilizzo e la perdita di capacità produttiva causata da manutenzione e riparazioni. Il vantaggio in termini di costi è evidente e le prospettive di applicazione come materiale di supporto nel settore fotovoltaico sono ampie.

② Può essere utilizzato come materiale assorbitore per i sistemi di generazione di energia solare. Il sistema solare termodinamico a torre è molto apprezzato nella generazione di energia solare grazie all'elevato rapporto di concentrazione (200~1000kW/㎡), all'elevata temperatura del ciclo termico, alle ridotte perdite di calore, alla semplicità del sistema e all'elevata efficienza. In quanto dispositivo fondamentale della generazione solare termodinamica a torre, l'assorbitore deve resistere a un'intensità di radiazione 200-300 volte superiore a quella della luce naturale e la temperatura di esercizio può raggiungere i mille gradi Celsius; le sue prestazioni sono quindi molto importanti per il funzionamento stabile e l'efficienza operativa del sistema di generazione termoelettrica. La temperatura di esercizio degli assorbitori tradizionali in materiali metallici è limitata, rendendo i materiali ceramici per assorbitori un nuovo tema di ricerca. Le ceramiche di allumina, le ceramiche di cordierite e le ceramiche in carburo di silicio vengono spesso utilizzate come materiali per assorbitori.

Tra queste, le ceramiche in carburo di silicio presentano caratteristiche eccellenti quali elevata resistenza, grande area superficiale specifica, resistenza alla corrosione e all'ossidazione, buon isolamento termico, resistenza agli shock termici e alle alte temperature, oltre a prestazioni alle alte temperature migliori rispetto ai materiali ceramici per assorbitori in allumina e cordierite. L'assorbitore realizzato in carburo di silicio sinterizzato può raggiungere una temperatura dell'aria in uscita fino a 1200℃ senza subire danni materiali.

③ Il settore fotovoltaico si sta sviluppando rapidamente e le dimensioni del mercato dei materiali ceramici in carburo di silicio sono in continua crescita.

Attualmente, il tasso di penetrazione del fotovoltaico nelle principali economie mondiali continua ad aumentare. Sostenuta dalle politiche dei vari Paesi e dalla domanda di mercato, grazie alla significativa riduzione del costo dell'elettricità nel settore fotovoltaico, la generazione di energia fotovoltaica è diventata la fonte di energia elettrica più economica al mondo. Secondo le previsioni dell'IEA, tra il 2020 e il 2030 la capacità installata dell'energia fotovoltaica aumenterà fino a quasi 5TW, con un CAGR del 21%, mentre la quota dell'energia fotovoltaica sulla capacità elettrica installata globale passerà dal 9,5% al 33,2%. Nel 2022, la capacità produttiva fotovoltaica globale aumenterà di oltre il 70%, raggiungendo quasi 450GW.

La Cina rappresenta oltre il 95% della nuova capacità dell'intera catena di approvvigionamento. Nel 2023 e nel 2024, la capacità produttiva fotovoltaica globale dovrebbe raddoppiare, con la Cina che rappresenterà ancora una volta oltre il 90% dell'incremento; secondo i dati della China Photovoltaic Industry Association, la produzione di celle fotovoltaiche del mio Paese ha mostrato una crescita costante dal 2012 al 2022, con un tasso di crescita annuo composto medio del 31,23%. Alla fine di giugno 2023, la capacità fotovoltaica installata cumulativa era di circa 470 milioni di kilowatt, diventando già la seconda fonte di energia del mio Paese in termini di capacità installata, seconda solo all'energia elettrica da carbone.

La forte domanda di installazioni finali continua a sostenere la rapida crescita della domanda di celle e favorisce l'aumento della domanda di sostituzione dei supporti per barche e dei contenitori per barche in carburo di silicio nel settore fotovoltaico. Si stima che entro il 2025 la quota delle ceramiche strutturali in carburo di silicio utilizzate nei settori dei semiconduttori e del fotovoltaico raggiungerà il 62%; di questa, la quota utilizzata nel settore fotovoltaico aumenterà dal 6% nel 2022 al 26%, diventando l'area a più rapida crescita.

L'elevata stabilità e le proprietà meccaniche delle ceramiche in carburo di silicio ne hanno ampliato l'ambito di applicazione. Poiché i requisiti delle industrie nazionali e internazionali per componenti meccanici o elettronici ad alta precisione, altamente resistenti all'usura e altamente affidabili diventano sempre più rigorosi, il potenziale di sviluppo del mercato dei prodotti ceramici in carburo di silicio è enorme.

I dispositivi elettronici, i chip, i MOSFET e altri componenti caratterizzati da un'elevata generazione di calore devono essere a contatto con la parete interna dell'involucro dello stampo per fusione dell'hardware, così da trasferire efficacemente il calore e dissiparlo. I transistor MOS svolgono il ruolo di circuiti di amplificazione o di commutazione nei circuiti elettronici; pertanto, l'elevato isolamento e l'elevata conduttività termica sono i primi parametri da considerare per i materiali destinati alla dissipazione del calore dei transistor MOS. L'esclusivo processo di fabbricazione delle lastre isolanti termiche in nitruro di boro garantisce al materiale un'elevata conduttività termica e un isolamento elettrico estremamente affidabile. Questa caratteristica conferisce alle lastre isolanti ad alta conduttività termica un vantaggio unico nel campo dell'assemblaggio dei dispositivi di potenza.